Петр Петрович Семенов родился в 1827 году в помещичьей усадьбе Урусово в Рязанской губернии. Семеновы принадлежали к старинному дворянскому роду. Петр получил хорошее домашнее воспитание, овладел французским, немецким и английским языками. В детстве он полюбил экскурсии по окрестностям, собирал гербарий и коллекцию насекомых, много читал о растениях и животных. Осенью 1842 года его определили в Петербургскую школу гвардейских прапорщиков и кавалерийских юнкеров. Мальчик сдал экзамен сразу в третий класс. По окончании школы Петр отказался от военной карьеры и поступил вольнослушателем в Петербургский университет на физико-математический факультет.
Весной 1848 года П. П. Семенов выдержал экзамены на степень кандидата, а затем со своим другом по университету Н. Я. Данилевским пешком прошел из Петербурга в Москву, собирая ботаническую и геологическую коллекции. В 1849 году он стал действительным членом основанного четырьмя годами ранее Русского географического общества (РГО), главным предметом деятельности которого было изучение населения и природных условий в России и сопредельных странах.
Друзья задумали организовать экспедицию для исследования черноземной полосы России (установление границ этого региона, изучение почв и растительности). Летом 1849 года они направились в черноземные районы Рязанской, Тульской и Орловской губерний. Но вскоре Петр Семенов остался один, так как во время экспедиционных работ Данилевский был арестован жандармами как участник кружка петрашевцев и позже сослан в Вологодскую губернию.
Петр Петрович продолжил изучение черноземных степей ив 1851 году, написав работу «Придонская флора в ее отношениях к растительности Европейской России», представил ее в университет, выдержал процедуру защиты и получил степень магистра. По поручению вице-председателя РГО адмирала Ф. П. Литке (фактического руководителя, так как на должность председателя назначался один из великих князей) он привел в порядок библиотеку общества (при этом прочитал многие важные книги по географии) и приступил к переводу на русский язык многотомного труда известного немецкого географа К. Риттера «Землеведение Азии». Переводческая работа вызвала у него большой интерес к этой части света, где в то время было немало белых пятен, особенно в Центральной Азии.
Видимо, тогда зародилась у П. П. Семенова мечта о путешествии в глубь Азии, в загадочный Тянь-Шань. Он вспоминал впоследствии: «Работы мои по азиатской географии привели меня… к обстоятельному знакомству со всем тем, что было известно о внутренней Азии. Манил меня в особенности к себе самый центральный из азиатских горных хребтов — Тянь-Шань, на который еще не ступала нога европейского путешественника и который был известен только по скудным китайским источникам. Проникнуть в глубь Азии на снежные вершины этого недосягаемого хребта, который великий Гумбольдт на основании тех же скудных китайских сведений считал вулканическим, и привезти ему несколько образцов из обломков скал этого хребта, а домой — богатый сбор флоры и фауны новооткрытой для науки страны — вот что казалось самым заманчивым для меня подвигом».
В 1853 году Семенов уехал за границу. Встретившись с А. Гумбольдтом и К. Риттером, он обсудил с ними свои планы проведения экспедиции в Центральную Азию, затем прослушал курсы лекций по геологии, метеорологии и истории растений в германских университетах. Молодой ученый проводил полевые экскурсии в Германии, Италии и Швейцарии, совершил ряд восхождений на Везувий и наблюдал его извержение в 1854 году. Возвратившись в Россию в следующем году, Семенов представил Совету РГО русский перевод I тома «Землеведения Азии». Половину объема книги составляло «Предисловие переводчика» (оно существенно дополняло основной текст новым материалом по географии Азии). Через год этот том вышел из печати.
Петр Петрович обратился к Совету РГО с предложением снарядить его в экспедицию «для собрания сведений о тех странах, к которым относятся два следующих, уже переведенных тома риттеровой Азии, а именно томы, относящиеся до Алтая и Тянь-Шаня». Совет дал согласие, и в начале мая 1856 года Семенов начал свою экспедицию. По железной дороге он добрался до Москвы, откуда поехал по тракту до Нижнего Новгорода; там купил прочный тарантас и на нем отправился в Сибирь по большому сибирскому тракту.
В Омск, резиденцию Западно-Сибирского губернатора генерала Г. И. Гасфорта, Семенов приехал 1 июня. При встрече с губернатором столичный ученый просил дать ему возможность посетить основанное в 1854 году укрепление Верное (с 1885 года — город Верный, с 1921 года — город Алма-Ата) и изучить Заилийский край, расположенный к югу от реки Или, — геологическое строение, флору и фауну, жизнь населения. Губернатор обещал предписать местным властям, чтобы оказывали содействие исследованиям и предоставляли конвой для поездки в горы. Путешественнику показали карты Семиреченского и Заилийского краев (первый расположен к югу от озера Балхаш до реки Или, а второй — к югу от реки Или до озера Иссык-Куль).